基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯‑碳纳米管复合结构的热喷印头及其制备方法，采用ICP工艺以及PDMS填充深沟的表面平坦化工艺，在硅片衬底上制备主通道、喷墨腔室、进墨通道、喷嘴、喷墨通道；采用阳极键合工艺，以石墨烯碎片作为中间层，将玻璃基底和硅片衬底键合。主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷嘴设置在喷墨腔室底部；碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置。该喷头进液关闭可靠、键合强度高、不易污染喷印腔室，制备时精度易于控制。

Thermal spraying composite structure of graphene carbon nanotube and its preparation method based on printing head

The invention discloses a thermal spraying composite structure of graphene carbon nanotubes printing head and a preparation method thereof based on a flat surface by using ICP technology and PDMS filled trench process, preparation of main channel, channel, into the ink chamber, ink jet nozzle, ink channel on silicon substrate; by anodic bonding process. With graphene fragments as the middle layer, the glass substrate and silicon substrate bonding. The main channel of the chamber through the ink and ink-jet ink into the channel, channel depth is less than the ink chamber depth; the nozzle is arranged at the bottom of the chamber jet; regional carbon nanotube graphene composite structure of micro bubble generator and a temperature sensor array array of carbon nanotubes were prepared on glass substrate corresponding ink chamber, and the ink chamber is disposed toward. The liquid inlet of the nozzle is closed reliably, the bonding strength is high, and the spraying printing chamber is not easy to be polluted, and the accuracy is easy to control when the preparation is made.

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头及其制备方法
本专利技术属于微机电系统热喷印
，更具体地，涉及一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头及其制备方法。
技术介绍
喷印成像技术已经成为大幅面数字喷绘、数字照片打印、数字印刷、数字彩色打样以及家庭和办公室彩色输出系统首选的彩色硬拷贝技术，获得广泛的应用和巨大的商业成功。除了喷墨打印外，喷印技术还能够提供非接触的多种液体的微分配，有着非常广泛的应用，譬如：生物流体打印、制作液晶显示用彩色滤光片、数字化制作PCB、药物注射和燃料注入等等。它还有望为构建具有复杂功能的集成系统(如生物组织工程，大平面柔性平板器件等)提供一种自下而上、简单有效的实施方案。在可预见的未来，高可靠性、低制作成本以及高性能(高图形质量、高的频率响应以及高空间分辨率)的微喷印系统将得到密切关注并在商业领域和其它特殊领域得到广泛应用。现有的喷印技术中，气泡式喷印是基于微加热器的一种简易的喷印技术。微气泡发生器是热喷印系统的核心，目前大都采用基于传统金属材料的微加热器，功耗较大。金属碳纳米管(CNT)是一种优良的微波导体，理论上单壁的碳纳米管的导通频率可达THz，有报道实际达到GHz。产生喷印液体是喷印头最主要的功能。喷印头包括液体供给系统和喷射液体产生系统。液体供给系统保证按照一定压力(静压)向喷印头微腔室提供待喷印液体；而喷印液体产生系统实际上就是一种脉冲压力产生系统，即按照一定的工作频率(数字脉冲)在微腔室内产生一个脉冲压力(动压)，从而将待喷印液体从喷嘴挤压出去，形成喷印液滴。各种各样的驱动源中，热气泡喷印由于制作工艺简单，是最具应用前景的方法之一，它具有非常高的空间分辨率，高频率响应和低成本等优点。热气泡技术是利用制作在微腔室内的微型加热器，通过电脉冲控制，加热使液体温度升高，从而使加热器表面的液体气化产生气泡，用气泡长大产生的压力将液体从喷嘴挤压出去而形成喷射液滴。热气泡喷印器件结构简单，小型化容易，可以实现较高的喷嘴集成度，同时制作成本较低。专利ZL201010160465.5《基于双碳纳米管微气泡发生器的喷印头及其制备方法》公开了基于双碳纳米管微气泡发生器的喷印头及其制备方法。该方案有以下不足：(1)碳纳米管微气泡发生器采用金属电极，二者之间存在肖特基势垒，接触电阻较大。(2)微流体结构采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合的方法，不易控制加工精度。(3)进墨通道与喷印单元的腔室深度相同，在气泡阀关闭进液是存在关闭不牢的问题。(4)双微气泡发生器和微流体结构采用紫外固化键合方法，键合强度受到限制；而且紫外固化胶的涂覆容易污染喷印腔室。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术旨在提供一种进液关闭可靠、键合强度高、不易污染喷印腔室、易于加工的热印喷头及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道、进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。进一步地，单个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器包括：设置在玻璃基底表面的一对第一石墨烯电极；连接一对第一石墨烯电极的第一碳纳米管；将第一碳纳米管两端固定在一对第一石墨烯电极和玻璃基底上的一对第一SiO2掩膜层。进一步地，单个碳纳米管温度传感器包括：设置在玻璃基底表面的一对金属电极或一对第二石墨烯电极；连接一对金属电极或一对第二石墨烯电极的第二碳纳米管；将第二碳纳米管两端固定在一对金属电极和玻璃基底上，或一对第二石墨烯电极和玻璃基底上的一对第二SiO2掩膜层。进一步地，玻璃基底和硅片衬底无缝键合的中间层为石墨烯碎片。为了实现上述目的，本专利技术还提供了一种前述热喷印头的制备方法，包括如下步骤：(1)在玻璃基底上制备石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；(2)采用ICP工艺以及PDMS填充深沟的表面平坦化工艺，在硅片衬底上制备主通道、喷墨腔室、进墨通道、喷嘴、喷墨通道；(3)采用阳极键合工艺，以石墨烯碎片作为中间层，将步骤(1)得到的玻璃基底和步骤(2)得到的硅片衬底键合。进一步地，碳纳米管温度传感器采用金属电极，步骤(1)包括如下子步骤：(1.1)采用磁控溅射和剥离工艺，在玻璃基底上制备石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列的第一测试电极、碳纳米管温度传感器阵列的第二测试电极，以及碳纳米管温度传感器阵列的金属电极；第一测试电极、第二测试电极、金属电极的厚度为100～200nm；金属电极的间距为1～6μm，宽度为1～5μm；金属电极与第二测试电极数量相同，一一对应连接；(1.2)采用旋涂PMMA的湿法转移工艺将铜箔上CVD生长的石墨烯转移至玻璃基底上，经光刻和氧气的RIE刻蚀制备出碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列的第一石墨烯电极；第一石墨烯电极的间距为1～6μm，宽度为1～5μm，第一石墨烯电极与第一测试电极数量相同，一一对应连接；(1.3)在微气泡发生器测试电极上加载1MHz、16V的交流信号，再将碳纳米管悬浮液滴在每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器的一对第一石墨烯电极之间，以及每个碳纳米管温度传感器阵列的一对金属电极之间，将每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器内的第一碳纳米管与对应的一对第一石墨烯电极连接；将每个碳纳米管温度传感器内的第二碳纳米管与对应的一对金属电极连接；(1.4)在第一碳纳米管与第一石墨烯电极的连接处溅射厚度为60～200nm的第一SiO2掩膜层，在第二碳纳米管与金属电极的连接处，溅射厚度为60～200nm的第二SiO2掩膜层。进一步地，碳纳米管温度传感器采用石墨烯做电极，步骤(1)包括如下子步骤：(1.1)采用磁控溅射和剥离工艺，在清洗后的玻璃基底上制备石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列的第一测试电极、碳纳米管温度传感器阵列的第二测试电极；第一测试电极、第二测试电极厚度为100～200nm；(1.2)采用旋涂PMMA的湿法转移工艺将铜箔上CVD生长的石墨烯转移至玻璃基底上，经光刻和氧气的RIE刻蚀制备出石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列的第一石墨烯电极以及碳纳米管温度传感器阵列的第二石墨烯电极；第一石墨烯电极与第一测试电极数量相同，一一对应连接；第二石墨烯电极与第二测试电极数量相同，一一对应连接；(1.3)在测试电极上加载1MHz，16V的交流信号，再将碳纳米管悬浮液滴在每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器的一对第一石墨烯电极之间，以及每个碳纳米管温度传感器阵列的一对第二石墨烯电极之间，将每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器内的第一碳纳米管与对应的一对第一石墨烯电极连接；将每个碳纳米管温度传感器内的第二碳纳米管与对应的一对第二石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯‑碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道，进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管‑石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，包括：玻璃基底、硅片衬底、主通道，进墨通道、喷墨腔室、喷嘴、喷墨通道、碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；主通道、进墨通道、喷墨腔室均为开设在硅片衬底上表面的腔体，主通道和喷墨腔室通过进墨通道连通，且进墨通道深度小于喷墨腔室深度；喷墨通道为设置在硅片衬底下表面的腔体，喷墨通道位于喷墨腔室背面；喷嘴设置在喷墨腔室底部，连接喷墨腔室和喷墨通道；碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列和碳纳米管温度传感器阵列制备在玻璃基底对应喷墨腔室的区域，且朝向喷墨腔室设置；玻璃基底和硅片衬底无缝键合在一起。2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，单个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器包括：设置在玻璃基底表面的一对第一石墨烯电极；连接一对第一石墨烯电极的第一碳纳米管；将第一碳纳米管两端固定在一对第一石墨烯电极和玻璃基底上的一对第一SiO2掩膜层。3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，单个碳纳米管温度传感器包括：设置在玻璃基底表面的一对金属电极或一对第二石墨烯电极；连接一对金属电极或一对第二石墨烯电极的第二碳纳米管；将第二碳纳米管两端固定在一对金属电极和玻璃基底上，或一对第二石墨烯电极和玻璃基底上的一对第二SiO2掩膜层。4.如权利要求1-3任意一项所述的一种基于石墨烯-碳纳米管复合结构的热喷印头，其特征在于，玻璃基底和硅片衬底无缝键合的中间层为石墨烯碎片。5.一种权利要求1所述的热印喷头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)在玻璃基底上制备石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列、碳纳米管温度传感器阵列；(2)采用ICP工艺以及PDMS填充深沟的表面平坦化工艺，在硅片衬底上制备主通道、喷墨腔室、进墨通道、喷嘴、喷墨通道；(3)采用阳极键合工艺，以石墨烯碎片作为中间层，将步骤(1)得到的玻璃基底和步骤(2)得到的硅片衬底键合。6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，碳纳米管温度传感器采用金属电极，步骤(1)包括如下子步骤：(1.1)采用磁控溅射和剥离工艺，在玻璃基底上制备石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器阵列的第一测试电极、碳纳米管温度传感器阵列的第二测试电极，以及碳纳米管温度传感器阵列的金属电极；第一测试电极、第二测试电极、金属电极的厚度为100～200nm；金属电极的间距为1～6μm，宽度为1～5μm；金属电极与第二测试电极数量相同，一一对应连接；(1.2)采用旋涂PMMA的湿法转移工艺将铜箔上CVD生长的石墨烯转移至玻璃基底上，经光刻和氧气的RIE刻蚀制备出碳纳米管-石墨烯复合结构微气泡发生器阵列的第一石墨烯电极；第一石墨烯电极的间距为1～6μm，宽度为1～5μm，第一石墨烯电极与第一测试电极数量相同，一一对应连接；(1.3)在微气泡发生器测试电极上加载1MHz、16V的交流信号，再将碳纳米管悬浮液滴在每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器的一对第一石墨烯电极之间，以及每个碳纳米管温度传感器阵列的一对金属电极之间，将每个石墨烯-碳纳米管复合结构微气泡发生器内的第一碳纳米管与对应的一对第一石墨烯电极连接；将每个碳纳米管温度传感器内的第二碳纳米管与对应的一对金属电极连接；(1.4)在第一碳纳米管与第一石墨烯电极的连接处溅射厚度为60～200nm的第一SiO2掩膜层，在第二碳纳米管与金属电极的连接处，溅射厚度为60～200nm的第二SiO2掩膜层。7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，碳纳米管温度传感器采...

【专利技术属性】
技术研发人员：周文利，朱宇，陈昌盛，向耘宏，蒋履辉，喻研，王耘波，高俊雄，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42